基于SPD模型的智能化全回轉拖船機艙布置研究

劉林偉

(江蘇省鎮江船廠(集團)有限公司，江蘇 鎮江 212002)

0 引言

隨著科學技術的日新月異，船舶行業不斷向智能化方向發展，更多船東希望在船舶運營中能夠降低管理成本、減少人為誤操作率、提升設備運行過程中的安全性、提高船舶燃油經濟性、優化船舶的航行軌跡等。隨著2015年《智能船舶規范》的發布，我國正式進入了智能船舶時代，為今后智能船舶設計建造提供了理論依據。智能機艙主要是借助相關智能系統對船舶主要設備如主機、發電機組、舵槳及軸系的運行狀態進行實時監控，并且對監測數據進行分析，評估機艙內各設備部件運行的健康狀況，確保所有船舶設備的合理化布置，有利于船東使用和后期維護及檢修。

國內外學者對智能化全回轉拖船機艙布置的研究大部分集中于概念階段。伊杰等[1]提出了天津港智能拖船方案設計，開創了國內智能拖船領域的先河。趙世光[2]對消防船機艙優化布置的可視化進行了研究。肖肯[3]基于三維模型對船舶的機艙布置進行優化設計，使得機艙布置更加準確與全面。何旺等[4]從知識工程的理論入手，建立機艙數學模型并結合遺傳算法，以CATIA軟件為平臺，實現機艙的智能布置。金嬌輝等[5]對小型遠洋拖網漁船機艙結構進行了優化設計。李磊等[6]對64 000載重噸智能散貨船的總體布置、節能裝置設計、智能系統設計等方面進行研究。

本文以某2 354 kW全回轉拖船為研究對象，通過二維CAD軟件完成船體結構、機艙布置的初步設計，然后利用SPD三維軟件，建立船體結構和輪機設備模型，以及管放模型等干涉設計，基于遺傳算法理論和設備用途等對設計中不合理的結構和設備布置進行優化。

1 智能拖船機艙結構布置

1.1 主要參數和結構特點

2 354 kW全回轉拖船航行于中國天津港及中國近海海域，承擔港口助泊作業工作。其主要參數為：總長40.00 m，型寬11.00 m，型深5.00 m，設計吃水3.95 m，肋距0.60 m，梁拱0.15 m，設計自由航速≥14.2 kn，系柱正拖力≥350 kN，續航力≥1 000 n mile，船員鋪位10人。

本船入級符號：

★CSAD，TUG，COASTAL OPERATIONS/OFFSHORE NAVIGATION，ICE CLASS B

★CSMD，AUT-0，i-Ship(Mx，Ex，I)

智能化系統通過網絡平臺存儲并分析船舶上所有系統和設備的監測信號數據。網絡平臺是整個智能化系統的連接橋梁，所有的工作站和通訊單元都連接到網絡平臺上，實現數據的傳輸、共享。

本船為單甲板、具有前傾帶破冰勺型船首的全焊接鋼質船，雙機帶“Z”型變螺距推進裝置。全船主甲板下設5道水密橫艙壁將主船體分割，自艏部向艉部依次設艏尖艙、生活設備間、儲物艙、機艙(內設集控室)、雜貨間、舵槳艙、防撞艙等。艏尖艙、舵槳艙和防撞艙為單底結構，除此之外的液艙均為雙層底結構。甲板以上共有3層甲板室，甲板室橫向寬度要滿足房間設施，駕駛室布置的時候要考慮視野的良好性和操縱的便利性。

1.2 機艙結構初步設計

本船機艙采用橫骨架式。在機艙雙層底下除中縱桁之外還設了左右對稱的4道旁桁材，同時兼顧主機座的內外側縱桁。利用結構的原始劃分，設置了壓載循環水艙、淡水艙、燃油艙、滑油循環艙、污油艙、污油水艙等。集控室布置在機艙首部。為滿足智能設備的布置需要，集控室作為智能化系統的工作站之一幾乎占據了整船的型寬，僅留有一側通道通向艏部設備處所。為滿足AUT-0的要求，集控室內設有梯道通向主甲板室，滿足雙通道的法定要求。為使機艙滿足設備布置、系統放樣的同時仍擁有空曠舒適的工作環境，機艙甲板采用局部抬高的設計，因此在結構設計時要充分考慮強框架的連續性，保證力的有效傳遞，避免局部應力集中出現振動。

機艙結構初步設計在滿足強度和連續性的同時，還要考慮施工的便利性及后期的維修保養。機艙結構強度在滿足規范的基礎上，還要對主機座下方的縱桁和肋板做加厚處理，并對發電機座、軸承座、大的泵座做局部區域加強，防止產生振動。相比常規拖船，在機艙設計方面智能拖船設備布置與結構設計更緊密，空間利用更合理，通道更寬敞，作業環境更舒暢。

1.2.1 線型優化

常規拖船采用圓弧線型設計，隨著線型的逐步過渡會在雙層底邊艙處逐漸收縮，導致空間變得非常狹小，施工難度加大，焊接質量差，見圖1。智能拖船線型采用折線型過渡設計，增大了機艙的空間，尤其是雙層底邊艙區域，見圖2。

圖1 常規拖船機艙典型橫剖面

1.2.2 支柱設計優化

智能拖船機艙內部的支柱全部設置在船中，給后期管路和電氣放樣留下了足夠的空間。同時經過結構強度計算，將機艙肋骨由角鋼更換為球扁鋼，加大了肋位之間的凈空間。

1.2.3 基座設計優化

常規拖船采用上下貫通式的主機座，這種設計就必須要求機艙正造。但由于機艙的底部線型曲度大，正造使得機艙的胎架制作工作量增大、制作成本升高，并且由于基座上下貫穿對艙室的完整性造成破壞，影響生產周期。智能拖船采用了分體式的主機座。機艙托底采用內底板為胎架反造，待底部制作完成后進行翻身安裝主機座，甲板片則以主甲板為胎架同時建造，托底分段制作完成后進行合龍。

圖2 智能拖船機艙典型橫剖面

1.2.4 機艙結構風道優化

智能機艙設備眾多，良好的機艙通風有利于設備的運轉，也為機艙內工作人員創造良好的工作環境。常規拖船采用白鐵風管通風，但白鐵風管布置在橫梁的下方會使得層高降低，空間變得局促，因此本船采用了結構風道。根據輪機風道原理圖，將風道與橫梁和縱桁貫通做成船體結構，利用結構風道作為通風系統的主干道，機艙變得更加整潔，給管路和電裝留下了足夠的空間。

1.3 機艙結構三維干涉優化

機艙三維模型是指機艙區域內的船舶結構模型，包括了船體外板、艙內縱橫艙壁板、平臺板、主機座及其他設備底座和相關的結構風道等。機艙船體結構模型是機艙設備三維模型放樣的基礎，機艙結構模型的準確性為設備布置、管系放樣和電纜走向提供了實體場景。

各專業建模放樣工作完成后，需進行干涉檢查。如：管路和電纜路徑是否有重疊；管路、設備與設備基座是否干涉；雙層底上人孔布置是否兼顧到人員通行的順暢和施工的便利性；布風頭的位置是否滿足設備的要求，有無與電纜重疊的現象。三維模型的干涉檢查不僅可以完整且直觀地看出設備布置的合理性，還可以對二維機艙設計中存在的不易察覺問題進行權衡和優化。

2 智能化拖船機艙設備布置

2.1 機艙設備初步設計

機艙由艉部向艏部依次設置空調冷卻水泵、燃油輸送泵、應急消防泵、油污水處理裝置、生活污水處理裝置、高溫淡水冷卻器、發電機、主機滑油備用泵、中央冷卻器、主空氣瓶、小型熱交換器、缸套水加熱單元等。機艙布置時既要兼顧設備的維護檢修方便性，還要考慮設備布局合理性，以及功能與液艙的相對位置。

在解決機艙內設備布置問題的時候，可以參考文獻[2]中有關建立數學模型得到機艙設備初步布置的方法，再綜合考慮各設備的重量重心位置，需要注意左右舷重量的平衡，避免出現因船舶橫傾導致船舶操縱性降低的問題。智能化拖船機艙布置圖見圖3。

圖3 智能化拖船機艙布置圖

2.2 機艙設備三維干涉優化

機艙FR22～FR46肋位設壓載循環水艙(左右舷)，FR32～FR34肋位設滑油循環艙(左右舷)，FR34～FR36肋位左舷設油污水艙、右舷設污油艙，FR21～FR23肋位左舷設燃油溢油艙。全船設置了2個海水箱，海水箱與輪機海水總管相連接，再通過設備進行三維建模和三維的管放。為使管路的走向更加順暢，避免不必要的折返，在此過程中調整了生活污水裝置和中央冷卻器的位置。此做法既簡化了管路，又拓寬了局部人員通道，使機艙整體的布局更為合理。

機艙設備建模時可以定義設備重量和重心，且遵循重心盡量低的原則。機艙設備建模既可以為船舶下水提供相對準確的下水重量和重心位置，也可以驗證空船預估重量和重心位置的準確性，及時止損。智能化拖船機艙三維圖和側視圖分別見圖4和圖5。

3 智能化拖船三維模型的優越性

通過SPD軟件對二維布置的豐滿補充和干涉檢查，實現了二維到三維的過渡，有效地解決了二維中不合理的設計并提出優化處理方案，完善、優化機電部分的機艙布置。

圖4 智能化拖船機艙三維布置圖

3.1 校核初步設計

機艙布置建立三維模型后，能夠對機艙內船體結構、艙室布置和設備之間的幾何

特性進行測量，然后根據測量結果提出設計優化改進意見。

3.2 優化艙室布置

該智能拖船為國內首制，在此之前并無可以借鑒的船型，三維設計面對是全新的布置，在探索中尋求變化，并且不斷地調整才能得到最優方案。

圖5 智能化拖船機艙三維側視圖

通過三維模型，能夠將機艙內部的布置更加直觀地呈現出來，便于船東的審核。例如：解決續航力問題方面，可以通過調整艙容的布置，適當增加燃油艙的容積，同時兼顧到船舶穩性，并通過三維的驗證和模擬來檢驗布置是否滿足規范要求，進一步調整布局，最終達到設計要求。

3.3 縮短建造周期

合理的三維模型可以使機艙的布置更加貼近實際，提高分段預舾裝率，將空中作業改到地面預制，將仰焊或立焊改為平焊，可以降低施工難度、縮短生產周期、提高生產效率。

4 結論

(1)三維設計突破了二維設計的空間局限性，能夠非常清晰地了解機艙布置的情況，對設計過程中不足之處能夠及時做出調整。

(2)三維模型能夠讓船東直觀地以第一視角提前介入該船舶的設計并結合該船的作業工況和碼頭的實際條件來完善布置，及時調整機、電、舾放樣，減少現場的返工率，提高船廠的生產效率和經濟效益。

(3)三維模型信息完整、錯誤率低，加快了管路和電裝的放樣進程，提高了船舶的預裝率，可以將大量預裝工作提前到分段建造中，縮短船臺周期和建造周期。